Z装置产生二十亿度高温
为何必须叫停国际热核聚变实验堆（ITER）项目
2006年3月23日
http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218
2010年5月13日，四年之后：
ITER，这个核聚变项目，成本大幅超支。ITER反应堆位于法国南部的卡达拉舍，承诺实现地球上的核聚变，以提供几乎无限的能源（1），但其账单却呈爆炸式增长，建设成本预计至少是最初提出的45.7亿欧元的两倍（2）。
如果中国、韩国、美国、印度、日本和俄罗斯联邦都参与该项目，欧盟则是主要的经济贡献者。因此，在为期十年的建设期内，欧盟的份额应从27亿欧元增至72亿欧元。对于欧盟委员会而言，有两种可能的应对措施：增加成员国的出资，或增加欧盟预算中专门用于该项目的份额。
暂且不提美国目前在ITER资金方面的退出，这种成本膨胀主要归因于项目的复杂性以及其当前设计（2001年）为了适应当今技术可能性而发生的深刻演变。
此外，在十年间，原材料成本不断上涨，这也导致了ITER总账单的全面上升。
值得一提的是，ITER的目的并非在商业意义上生产能源，而是证明地球上核聚变的可行性，即在6分钟内，利用50兆瓦的“注入能量”产生约5亿瓦（MW）的热量。
完成这一阶段后，首个核聚变反应堆DEMO预计将在日本诞生，以在2050年左右证明该概念工业可行性的证据。
在我们所知的经济危机背景下，相关政府是否会再次掏腰包？这并非板上钉钉，如果资金无法达到他们的期望，科学家们可能不得不重新审视并缩小项目规模。
帕斯卡尔·法尔西（Pascal Farcy）1- ITER，即国际热核聚变实验堆，旨在让人类在21世纪下半叶接近太阳的能源生产模式。
2- 2007年，总预算构成为：建设（10年）45.7亿欧元，运营（20年）48亿欧元，拆除（10至15年）5.3亿欧元。
我2006年的文章：
当我前往佩尔蒂（Pertuis）参加3月16日举行的一场所谓的“辩论”时，反核人士来了。他们戴着白色面具，高喊口号，面对的是法国原子能和替代能源委员会（CEA）人员的微笑，由帕特里克·勒格朗（Patrick Legrand）带领，他在一本小册子中写道：“辩论已经步入正轨”。
“辩论已经步入正轨”
人们对我发言的内容感到极其惊讶。勒格朗最终带着灿烂的笑容对我说：
- 好了，冷静点。我们会给你一个麦克风。你可以提问，我们会回答你。
但我的问题是：
- 该项目的成员打算如何对抗由从重核壁面剥离引起的轫致辐射所产生的强烈辐射冷却？
就在那时，突然没有人说话了。勒格朗目瞪口呆，做出否认的手势。项目行政负责人以及一位前来向我们解释“在这个社会项目”中他们会致力于保护花朵和甲虫的环境专家也是如此。
我们最终找到了一位坐在我旁边的工程师，他结结巴巴地说：
- 嗯……这是一个好问题……
确实，这是一个价值连城的问题，绝不应在任何情况下提出。最快的氢原子总会突破磁屏障，撞击壁面，剥离出原子，这些原子随即完全电离。然而，与自由电子相互作用产生的轫致辐射（Bremsstrahlung）损失与电荷的平方成正比。等离子体将被污染，冷却下来。ITER这个“锅炉”将会窒息……
在英国库勒姆（Culham），英国人获得了一秒的聚变。ITER将在20到40年内产生十秒，也许二十秒。除了说“存在一个尺度因子”之外，没有人简单地计划过如何解决这个锅炉熄火的问题。在越来越大的机器中，辐射损失相对较小。当我们获得几十秒的聚变时，我们会说“我们需要建造一个超级ITER，更贵，这次会成功”。
当我们没有现成的、针对严重且不可避免问题的解决方案时，就不应该启动这样一个规模、如此成本的项目。
除非ITER只是一个昂贵的玩具，或者如我在佩尔蒂听到和读到的那样，是一个“社会项目”。
ITER 尤其体现了我们科学家想象力的完全匮乏，相当于理论领域中超弦理论在实验领域的对应物。采用托卡马克（Tokamak）方案的聚变已经挣扎了半个世纪。他们要求我们再耐心等待30到40年，而届时我们的物理学可能已经彻底改变。正如我在离开会场时所说：
ITER是第三千年的蒸汽机
法国的托卡马克装置Tore-Supra，二十五年前开始建设（伴随着同样的“吹牛机”歌曲：“实验室里的太阳”等等……）未能兑现承诺。聚变：零。温度提升非常有限。但“超导磁体起作用了”。真是件大事！花了25年才建造出一个产生4特斯拉的超导磁体：这是一项在全球所有粒子加速器气泡室中都已完全成熟的技术。但在法国，人们总是急于为失败而庆祝。
在场的人记住了与那位说“好问题”的专家的最后一次交流。
- 我们现在有财力支付这样的“舞女”吗？- 哦，这看起来是一笔巨款，但占国民生产总值的百分比要小得多……
是吗。
在离开会场之前，我解释了我的观点。这不是反对聚变，而是反对一种相对于“真正聚变”而言，如同蒸汽机相对于内燃机般的聚变。这个类比是恰当的。在ITER中，人们试图在连续运行、温度过低、且反应具有污染性的情况下工作，这将活化周围结构，积累新的放射性废物，而未来应该是：
一种清洁聚变：硼-11，氢-1，脉冲式，十亿度。
或者：
锂-7 + 氢-1：五亿度。
第二天，仿佛巧合一般，新墨西哥州桑迪亚国家实验室宣布了其Z装置的结果（在谷歌上搜索“z machine”）。
来源：
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/2003/nuclear-power/Zneutrons.html
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
Futura-sciences文章内容：
Z装置产生的温度轻松超过二十亿度！
（图片来源：Randy Montoya）
通常，Z装置的工作方式如下：2000万安培的电流通过一根头发丝宽的钨丝网络。在一个毛线球大小的核心中，丝线瞬间溶解产生等离子体，随后被强磁场高速压缩，直到占据铅笔芯的厚度。一旦压缩，离子和电子无处可去（“滞止点”），就像一辆全速撞向墙壁的赛车，它们突然停止，以X射线的形式耗散大量能量。因此，Z装置最初被设计用于产生数百万度的高温，接近太阳耀斑的温度。
“滞止点”是对“stagnation point”的错误翻译，其含义是“驻点”。驻点是指气流速度降为零的点。以航天飞机的鼻锥为例。驻点是鼻锥上气体速度为零的点。从逻辑上讲，在这个装置中，由于等离子体向系统轴线汇聚，我们应该称之为“滞止线”（stagnation line）。如果解读这段文字，似乎该等离子体在压缩结束、速度归零时，具有“铅笔芯”的形状和体积。
但科学家们从未想过，通过用更宽的圆柱形钢丝替换钨丝，他们可以达到超过十亿度的温度：“起初，我们不敢相信。我们多次重复了操作，以确保不是错误，”项目负责人克里斯·迪尼（Chris Deeney）解释道。
那么，桑迪亚实验室里到底发生了什么？在本月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇文章中，桑迪亚公司的顾问马尔科姆·海恩斯（Malcolm Haines）假设，这种令人惊讶的温度是由于在“滞止点”出现大量不稳定性，导致大量磁能在几纳秒内转化为热能。
我们需要去查阅这篇文章，以确切了解其中的情况。
目前正在开展研究，以更多地了解这一现象。无论如何，据马尔科姆·海恩斯称，获得如此高的温度可能非常有用：这将有助于研究太阳耀斑，
并可能使建造更紧凑、更便宜的核电站成为可能。
Futura-sciences文章内容：
Z装置产生的温度轻松超过二十亿度！
（图片来源：Randy Montoya）
通常，Z装置的工作方式如下：2000万安培的电流通过一根头发丝宽的钨丝网络。在一个毛线球大小的核心中，丝线瞬间溶解产生等离子体，随后被强磁场高速压缩，直到占据铅笔芯的厚度。一旦压缩，离子和电子无处可去（“滞止点”），就像一辆全速撞向墙壁的赛车，它们突然停止，以X射线的形式耗散大量能量。因此，Z装置最初被设计用于产生数百万度的高温，接近太阳耀斑的温度。
JPP
：
“滞止点”是对“stagnation point”的错误翻译，其含义是“驻点”。驻点是指气流速度降为零的点。以航天飞机的鼻锥为例。驻点是鼻锥上气体速度为零的点。从逻辑上讲，在这个装置中，由于等离子体向系统轴线汇聚，我们应该称之为“滞止线”（stagnation line）。如果解读这段文字，似乎该等离子体在压缩结束、速度归零时，具有“铅笔芯”的形状和体积。
但科学家们从未想过，通过用更宽的圆柱形钢丝替换钨丝，他们可以达到超过十亿度的温度：“起初，我们不敢相信。我们多次重复了操作，以确保不是错误，”项目负责人克里斯·迪尼（Chris Deeney）解释道。
那么，桑迪亚实验室里到底发生了什么？在本月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇文章中，桑迪亚公司的顾问马尔科姆·海恩斯（Malcolm Haines）假设，这种令人惊讶的温度是由于在“滞止点”出现大量不稳定性，导致大量磁能在几纳秒内转化为热能。
JPP
：
我们需要去查阅这篇文章，以确切了解其中的情况。
目前正在开展研究，以更多地了解这一现象。无论如何，据马尔科姆·海恩斯称，获得如此高的温度可能非常有用：这将有助于研究太阳耀斑，
并可能使建造更紧凑、更便宜的核电站成为可能。
该项目的负责人是杰拉尔德·约纳斯（Gerald Yonas），我于1976年在桑迪亚见过他（参见我的书《恶魔之子》）。看看这个小家伙。那是……三十年前。来源：《科学》（Pour la Science），1979年1月，第52-53页（你也能在那里找到我与数学家伯纳德·莫兰（Bernard Morin）共同署名的关于球体翻转的论文）。
约纳斯的实验，桑迪亚，1976年。电子束打在“鸽子蛋大小”的目标上
老杰拉尔德在强电流方面绝非新手。“Z装置”的原理相当简单。约纳斯向一组每根直径仅为头发十分之一的丝线组合中总共注入两千万安培电流。这些丝线排列成圆柱结构：
**电流通过的金属丝排列。
每根丝线都转化为等离子体，该系统最终形成一种等离子体帘幕，向系统轴线方向内爆。**
这看起来像圆柱薄膜的碎裂。碎裂成一系列导体，以获得更均匀的电流分布并避免不稳定性。
因此，该电流产生磁场，进而产生作用在介质上的拉普拉斯力 J x B，该介质瞬间转化为等离子体。1976年，我们称这些系统为“箍缩机器”（pinch machines）。Pinch意为“捏紧”。但箍缩机器基于气体柱中的放电，气体柱转化为等离子体。内爆是不稳定的。约纳斯的丝线帘幕让人联想到一个碎裂成大量“丝线”的“空心管”。当放电发生时，所有这些丝线都转化为等离子体柱，它们混合并最终表现得就像电流通过空心管时会发生的那样。区别在于，这种“碎裂”最终产生更规则的电流帘幕。无论如何，结果是等离子体帘幕在“惯性压缩”下向轴线内爆。
起初，约纳斯想将这些系统用作X射线源。似乎很明显（我将尽快尝试更详细地分析论文）这些实验的首要目的是军事的。目标是获得足够强大的X射线源，以聚变一个目标（我想象是沿中心轴放置），从而在不使用原子弹作为源的情况下模拟炸弹的工作原理。
似乎约纳斯在目标（位于轴线上）和正在内爆并转化为等离子体的丝线帘幕（充当压缩机）之间插入了一种“泡沫”（foam）。这种压缩系统的稳定性事先无法评估。我们知道，在激光聚变中，这是关键问题。我们不知道如何进行球对称压缩。这就是为什么位于波尔多附近勒巴尔普（Le Barp）的“梅加焦耳”（Mégajoule）——另一种ITER——也是一个既昂贵又极其棘手的项目。另一个供军人和理工科学生玩的“玩具”。
约纳斯沿轴线压缩。而且，令人惊讶的是，温度升高是惊人的，甚至是意想不到的。以下是该系统作为X射线源发射的功率。
**迈向聚变？
桑迪亚的研究人员继续增加其机器以X射线形式发射的功率。**使用沿圆柱表面排列的丝线组合取得了实质性进展。当放电触发时，该系统转化为处于内爆状态的等离子体。该系统使得输出功率增益增加（高达290太瓦）。
这就是运行中的机器。复制的小图像无法让人看清正在发生的事情。
Z装置：开始！
你看到的是电弧，向四面八方飞溅。约纳斯是我们时代的尼古拉·特斯拉。
关于Z装置工作原理的一些快速笔记。首先展示“θ箍缩”（théta-pinch）的原理。
我们让强大的电流平行于圆柱（气体）的母线通过。产生的磁场伴随着拉普拉斯力，倾向于沿轴线挤压等离子体圆柱。系统是不稳定的。如果在某处发生箍缩，电流密度增加，JxB力也增加。
Z装置原理：
取两根通过平行电流的导线。它们倾向于相互吸引。“笼状丝线”系统也是如此。在最初的实验中，约纳斯试图让这些丝线沿系统轴线坍缩，它们转化为“等离子体帘幕”。用一百根丝线的笼子和总共两千万安培电流进行快速粗略计算。初始磁场将为2特斯拉。当丝线转化为等离子体帘幕时，我们可以估算电流密度为每平方米3×10^12安培。我需要向约纳斯确认。这只是粗略和指示性的。我发现初始向心压力为60兆巴，应将此等离子体以5公里/秒的速度推向轴线。就其本身而言，这种由金属原子组成的等离子体温度升高，我想象这是约纳斯设想的一种产生X射线雨的方法。
粗略评估内爆前等离子体圆柱的体积，并得出结论，它沿轴线坍缩成一个直径为铅笔芯（2毫米）的物体，我们得到了令人印象深刻的压缩因子。回想一下，在激光聚变中，我们试图压缩液化的重氢目标，目标是半径缩小10倍。这足以在目标中获得劳森条件。压缩液体会导致温度急剧升高。用我的粗略计算（正如理工科学生所说的“chickzalés”），我发现压缩因子约为40。因此，如果材料是聚变混合物，这可能行得通。
顺便指出，约纳斯的关注点不是民用的。这是军事研究。想象一下，如果不让电流通过钨（高熔点，以保持固态尽可能长时间并保持对称性），而是使用钚。沿轴线压缩它：砰……
但是，似乎他随后选择了一个更复杂的实验。钨、钢不是聚变混合物。因此，约纳斯似乎使用了一个三组件装置。
用于聚变的Z装置
这些是剖面图。在1中，是由丝线构成的笼子。在中心，沿轴线，是一个聚变混合物目标。在两者之间是一种成分未公开的“泡沫”。当注入能量时，金属丝圆柱（转化为等离子体）产生压缩脉冲。我认为这应该导致一种向心的圆柱形冲击波开始传播，穿过这种“泡沫”，这种“泡沫”也被这种“爆炸波”转化为等离子体。波带走部分能量。它在磁场为零的介质中传播。因此可能没有不稳定性。 有很多东西需要思考，以试图理解这种著名的“泡沫”可能由什么组成。
达到的温度如此之高，以至于伴随过程发生了非常重要的辐射过程。然后必须利用该辐射的吸收长度。约纳斯说，他尝试加入氩气，但温度没有升高。可能是因为氩气过热。在这种惯性约束实验中，必须增加密度和撞击速度，在系统轴线上目标所在的位置，尽可能延迟加热，以便这种加热仅在最大压缩时发生，即在“滞止线”上。
新想法是，轴对称内爆似乎是稳定的，或者至少比球对称稳定得多。在激光聚变中，问题是激光的冲击必须完全同步地作用在“推板”（pusher）上，即包裹液化重氢目标的层。这相当于向一颗弹珠射击25颗（或更多）子弹，希望它们都提供相同的压力脉冲。
在那里，约纳斯通过他的笼状丝线系统，设法获得尽可能轴对称的压力脉冲。他最初使用钨，以使他的丝线“持续”尽可能长时间，强制轴对称性。后来，他改用简单的不锈钢丝。压缩波的规则性使得温度惊人地升高到二十亿度！
对于聚变，问题不在于能量数量，而在于聚焦。这个想法与ITER的核心主题截然相反，在ITER中，人们寻求在巨大体积内连续聚变，带来所有巨大的技术问题。我支持这种脉冲式聚变的想法，通过冲击波聚焦能量。我甚至说，达到的温度可以瞄准无污染的聚变，无中子发射，如锂-氢或硼-氢（五亿度或十亿度）。
如果你跟ITER的人谈论这样的温度，他们会跳起来。机器无法达到这一点。
我们已经看到，这种通过冲击波聚焦能量的过程可以在冷水中熔化青铜（1905年发现的空化现象），然后通过超声波产生10,000°C的等离子体（声致发光）。
与托卡马克（ITER）等超重型路线相比，这些是局外人路线，后者带来了数十年的（过去的和……未来的）极其昂贵的技术问题。我是那些认为可以通过相对轻便的手段实现聚变的人之一。我也不排除约纳斯可能达到比他的二十亿度更高的温度（……），因为最终性能不取决于能量数量，而取决于聚焦效率（泡沫的性质，几何形状）。
在法国“物理学自由落体”的时代，我看到这里有很多相对便宜的博士课题和实验，以及引人入胜的数值模拟。但在法国，我们全押在托卡马克上，而且……不能在河中间换马。人们不会准备说：
- 好吧，我们在半个世纪里浪费了时间和大量金钱
谁会说这样的话？这解释了在这种类型的机器和聚变路线上的固执。
早在2003年4月7日，约纳斯的机器就产生了第一批真正的聚变中子。但最近又达到了一个新的阈值。
Z装置产生了二十亿度高温
这意味着硼-11 - 氢-1聚变变得可行。这是一种清洁聚变，无放射性（！……），不发射中子，不使周围结构具有放射性，只发射普通的、带电的氦核。这些不仅可以通过磁约束，而且通过压缩这个磁场，它们将整个系统转变为磁流体动力学（MHD）发电机。最终，我们将得到一个“聚变二冲程”（我在1976年《科学与生活》（Science et Vie）的文章中已经描述过）。这二十亿度，任何托卡马克永远无法达到。
结论是，必须立即搁置ITER项目。
似乎我们有另一种路线，可以通向“清洁聚变”。我们需要详细分析这些工作。初步来看，约纳斯的Z装置可能允许混合物聚变，产生阿尔法粒子，即氦核。这些将构成膨胀等离子体。如果这种膨胀在磁场中进行，由于系统处于高磁雷诺数状态（磁力线与电离介质之间的紧密联系），将在螺线管中感应出强电流。机器随后转变为脉冲MHD发电机。部分能量可用于为电容器充电，为下一次放电做准备。因此，提出了“聚变二冲程”的概念。
所有这些都需要详细重新审视，但初步来看，这似乎非常有趣。无论如何，这些研究比ITER这个真正的“复杂机器”要便宜和简单得多。